CMOS 与 CCD 传感器对比

CMOS 与 CCD 的争论早已尘埃落定，但对于需要升级旧检测系统的工程师而言，对比这两种技术仍是必不可少的功课。电荷耦合器件（CCD）在芯片上将原始电子传输至单一中央放大器，而互补金属氧化物半导体（CMOS）则在每个有源像素内部直接将电荷转换为电压。从顺序读出到并行读出的根本性转变消除了早期机器视觉的速度瓶颈，并定义了所有现代工业相机的设计。

架构差异：顺序 vs. 并行

要了解一套老旧视觉系统在升级后的表现，就必须先看清数据是如何流动的。

CCD 采用顺序"水桶传递"原理。曝光结束后，传感器会将累积的电荷逐个像素、逐行地传输至位于芯片角落的同一个模数转换器（ADC）。由于所有像素共用同一个放大器，CCD 在历史上能够生成异常洁净、均匀的图像，几乎不存在固定模式噪声。

CMOS 传感器则以并行方式工作。它是一种有源像素架构，每个像素内部都拥有独立的微型放大器。电荷在光子撞击硅的位置就被转换为电压，多行像素同时被读入集成于同一晶片上的 ADC。这种并行处理需要在像素表面布置远更复杂的电路，但也正是这一点从根本上释放了相机的速度潜力。

CMOS 为何赢得了机器视觉行业

长期以来，工程师之所以接受 CCD 的低速度和高功耗，是因为其图像质量确实更胜一筹。过去十年中，半导体制造工艺的进步彻底弥合了这一噪声差距。

一旦 CMOS 的图像质量达到 CCD 的水准，有源像素架构在其他方面的优势便迅速主导了整个行业。

升级旧系统：硬件考量

当一条工厂自动化产线最终淘汰旧的 CCD 相机时，要将现代 CMOS 相机直接装入相同的安装位，需要进行细致的工程评估。

最关键的因素是物理像素间距。早期 CMOS 像素需要为内部放大器留出空间，而现代高分辨率型号会在单颗芯片上塞入数百万像素，因此新相机的像素尺寸几乎肯定会与旧 CCD 不同。一旦像素尺寸改变，光学分辨率和视场也会随之变化。您必须重新计算工作距离，或选用新的工业镜头来匹配新的传感器规格。

此外，接口也会发生变化。旧式 CCD 通常依赖 FireWire 或模拟输出等老旧协议。升级到 CMOS 意味着将系统架构切换到 GigE Vision 或 USB3 Vision 等现代标准接口，需要同时更新线缆和主机 PC 上的图像采集卡配置。GigE Vision 可能需要兼容的网卡或图像采集卡；USB3 Vision 则使用大多数现代 PC 已经内置的标准 USB3 主控制器。